摘要：對(duì)液滴撞擊固體表面的過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，考察液滴的物性和操作條件對(duì)撞擊過(guò)程的影響，結(jié)果表明：隨著液滴黏度的增加、或表面張力系數(shù)的增大、或撞擊速度的減小，液滴的鋪展直徑、鋪展速度和鋪展面積均減??；液滴的能量在黏性中的耗散主要發(fā)生在撞擊的初始階段，隨著液滴黏度的增加、或表面張力系數(shù)的減小、或撞擊速度的增大，黏性耗散的速率均增加。本文得到的關(guān)于液滴雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)的關(guān)聯(lián)式可用于預(yù)測(cè)液滴的最大鋪展直徑和最大鋪展面積。

液滴撞擊固體表面的現(xiàn)象在過(guò)程工業(yè)中較為常見(jiàn)，如橫管降膜蒸發(fā)、噴淋吸收和渦輪機(jī)的冷卻等。在以傳質(zhì)為主要目的的過(guò)程中，液滴撞擊固體表面過(guò)程中的表面積變化對(duì)傳質(zhì)性能有很大的影響。對(duì)高速分散反應(yīng)器的氣體吸收性能進(jìn)行的研究中，建立了用于預(yù)測(cè)反應(yīng)器傳質(zhì)特性的傳質(zhì)表面積模型；在該模型中，液滴與反應(yīng)器固體表面的碰撞是一個(gè)增大傳質(zhì)面積的重要過(guò)程。研究物性和操作條件對(duì)液滴撞擊固體表面過(guò)程中表面積變化的影響，進(jìn)而深入理解此過(guò)程，可為此類設(shè)備的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

關(guān)于液滴撞擊固體表面過(guò)程研究的方法主要有實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬。通過(guò)定量實(shí)驗(yàn)研究了液滴撞擊靜止的固體表面時(shí)鋪展直徑隨時(shí)間變化的影響因素，如液滴的撞擊速度、液體的流變性質(zhì)和表面張力、固體表面的粗糙度等，發(fā)現(xiàn)撞擊速度的增加、黏度的減小、表面張力的減小、表面粗糙度的減小均會(huì)增大最大鋪展直徑，并提出了一系列最大鋪展直徑的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。而當(dāng)固體表面處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在液滴撞擊過(guò)程中則通?？梢杂^察到不對(duì)稱的鋪展甚至飛濺。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究可以得到液滴撞擊后的不同形態(tài)、液滴物性和撞擊速度對(duì)鋪展直徑的影響，以及可預(yù)測(cè)液滴最大鋪展直徑的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，有助于加深對(duì)液滴撞擊過(guò)程的理解。

針對(duì)液滴撞擊固體表面過(guò)程的理論分析以能量法最為常見(jiàn)，其主要原理是基于液滴撞擊過(guò)程中表面能、動(dòng)能、黏性耗散三者的總能量守恒。利用此方法可得到液滴的無(wú)量綱最大鋪展直徑關(guān)于液滴的韋伯?dāng)?shù)、雷諾數(shù)和靜態(tài)接觸角的表達(dá)式，但因針對(duì)液滴內(nèi)黏性耗散的假設(shè)不同，所得到的表達(dá)式有所差異。數(shù)值模擬是研究液滴撞擊固體表面現(xiàn)象的重要手段，通過(guò)數(shù)值模擬除了可以得到液滴鋪展直徑、鋪展高度和鋪展速度等宏觀信息外，還能了解液滴內(nèi)部的流場(chǎng)信息，有助于更為深入地理解液滴撞擊過(guò)程中鋪展的機(jī)理。

目前文獻(xiàn)中關(guān)于各類因素對(duì)液滴鋪展線速度和鋪展面積的影響，以及撞擊過(guò)程中液滴的表面能、動(dòng)能和黏性耗散的變化的研究較少，因此本文采用實(shí)驗(yàn)的方法研究了液滴的物性和操作條件對(duì)其撞擊固體表面過(guò)程中的鋪展直徑、鋪展速度和鋪展面積的影響，并結(jié)合能量法對(duì)表面能、動(dòng)能和黏性耗散在撞擊過(guò)程中的變化進(jìn)行分析，以揭示液滴撞擊固體表面過(guò)程的特點(diǎn)。

1實(shí)驗(yàn)裝置和方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。通過(guò)注射泵驅(qū)動(dòng)液體在注射器的針尖處產(chǎn)生液滴，液滴直徑和速度可分別通過(guò)針頭內(nèi)徑和針頭高度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。電腦與高速相機(jī)連接，并控制其以486幀/s的頻率記錄液滴撞擊不銹鋼板表面的過(guò)程(分辨率320pixel×256pixel)，實(shí)驗(yàn)中圖像的物理分辨率為0.024mm/pixel。傳送帶的平動(dòng)速度通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。

1—電腦；2—電機(jī)；3—變頻器；4—傳送帶；5—光源；6—散光板；7—注射器；8—不銹鋼板；9—高速相機(jī)；10—注射泵。

圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

表1物質(zhì)的物性參數(shù)

表2操作條件參數(shù)

圖2是一個(gè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的甘油水溶液液滴撞擊靜止固體表面的典型過(guò)程。液滴(D0=2.85mm)以0.97m/s的速度撞擊在不銹鋼表面上(t=0ms)，經(jīng)過(guò)鋪展達(dá)到最大鋪展面積(t=2.06ms)，隨后經(jīng)歷回縮、再鋪展以及震蕩的過(guò)程(t=4.12~18.54ms)，直至達(dá)到平衡。

圖2甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的液滴撞擊靜止的不銹鋼表面(UD=0.97m/s)

液滴的宏觀信息如體積、鋪展直徑、鋪展速度等可以通過(guò)圖像識(shí)別獲取。本文使用Matlab對(duì)高速相機(jī)記錄的液滴照片進(jìn)行去噪、去除雜點(diǎn)、中值濾波、二值化等步驟的處理，再?gòu)乃玫降亩祷瘓D片中獲取上述參數(shù)。其中，液滴的鋪展速度可由液滴鋪展線在相鄰兩張照片的坐標(biāo)差與拍攝頻率相乘得到。由于液滴在撞擊過(guò)程中的形態(tài)始終保持軸對(duì)稱，可以使用旋轉(zhuǎn)積分的方法求得液滴的體積。

圖3不同物性和直徑的液滴在撞擊過(guò)程中的體積

圖3所示為使用圖像處理的方法得到的4個(gè)不同物性和直徑的液滴在撞擊過(guò)程中體積隨時(shí)間的變化。從圖中可以看到，直徑為2.65mm的水液滴、直徑為3.22mm的水液滴、直徑為2.85mm的純甘油液滴、直徑為2.31mm的乙醇液滴計(jì)算所得體積與初始體積的最大誤差分別為7.7%、14%、2.2%、12%，說(shuō)明本文采用的圖像處理和分析方法可對(duì)液滴撞擊固體表面的過(guò)程進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定量分析。